In terms of spinless fermions and spin waves, we describe the magnetic properties of a spin-1/2 ferromagnetic-antiferromagnetic bond-alternating chain which behaves as a Haldane-gap antiferromagnet. On the one hand, we employ the Jordan–Wigner transformation and treat the fermionic Hamiltonian within the Hartree–Fock approximation. On the other hand, we employ the Holstein–Primakoff transformation and modify the conventional spin-wave theory so as to restore the sublattice symmetry. We calculate the excitation gap, the specific heat, the magnetic susceptibility, magnetization curves, and the nuclear spin-lattice relaxation rate with varying bond alternation. These schemes are further applied to a bond-alternating tetramerized chain which behaves as a ferrimagnet. The fermionic language is particularly stressed as a useful tool for investigating one-dimensional spin-gapped antiferromagnets, while the bosonic one works better for ferrimagnets.

1.
F. D. M.
Haldane
,
Phys. Lett. A
93
,
464
(
1983
).
2.
F. D. M.
Haldane
,
Phys. Rev. Lett.
50
,
1153
(
1983
).
3.
W. J. L.
Buyers
,
R. M.
Morra
,
R. L.
Armstrong
,
M. J.
Hogan
,
P.
Gerlach
, and
K.
Hirakawa
,
Phys. Rev. Lett.
56
,
371
(
1986
).
4.
J. P.
Renard
,
M.
Verdaguer
,
L. P.
Regnault
,
W. A. C.
Erkelens
,
J.
Rossat-Mignod
, and
W. G.
Stirling
,
Europhys. Lett.
3
,
945
(
1987
).
5.
K.
Katsumata
,
H.
Hori
,
T.
Takeuchi
,
M.
Date
,
A.
Yamagishi
, and
J. P.
Renard
,
Phys. Rev. Lett.
63
,
86
(
1989
).
6.
T.
Affleck
,
T.
Kennedy
,
E. H.
Lieb
, and
H.
Tasaki
,
Phys. Rev. Lett.
59
,
799
(
1987
).
7.
T.
Affleck
,
T.
Kennedy
,
E. H.
Lieb
, and
H.
Tasaki
,
Commun. Math. Phys.
115
,
477
(
1988
).
8.
S.
Yamamoto
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
3348
(
1995
).
9.
U.
Schollwoeck
and
Th.
Jolicoeur
,
Europhys. Lett.
30
,
493
(
1995
).
10.
S.
Yamamoto
,
Phys. Lett. A
213
,
102
(
1996
).
11.
Y.-I.
Wang
,
S.
Qin
, and
L.
Yu
,
Phys. Rev. B
60
,
14529
(
1999
).
12.
S.
Todo
and
K.
Kato
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
047203
(
2001
).
13.
I.
Affleck
,
Nucl. Phys. B
257
,
397
(
1985
).
14.
I.
Affleck
,
Nucl. Phys. B
265
,
409
(
1986
).
15.
G.
Sierra
,
J. Phys. A: Math. Gen.
29
,
3299
(
1996
).
16.
G.
Sierra
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3443
(
1996
).
17.
T.
Fukui
and
N.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
55
,
R14709
(
1997
).
18.
T.
Fukui
,
M.
Sigrist
, and
N.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
56
,
2530
(
1997
).
19.
T.
Fukui
and
N.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
56
,
8799
(
1997
).
20.
T.
Fukui
and
N.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
57
,
398
(
1998
).
21.
A.
Koga
,
S.
Kumada
,
N.
Kawakami
, and
T.
Fukui
,
J. Phys. Soc. Jpn.
67
,
622
(
1998
).
22.
K.
Takano
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
5124
(
1999
).
23.
K.
Takano
,
Phys. Rev. B
61
,
8863
(
2000
).
24.
M.
Oshikawa
,
M.
Yamanaka
, and
I.
Affleck
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1984
(
1997
).
25.
K.
Totsuka
,
Phys. Lett. A
228
,
103
(
1997
).
26.
D. C.
Cabra
,
A.
Honecker
, and
P.
Pujol
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
5126
(
1997
).
27.
E.
Dagotto
,
J.
Riera
, and
D.
Scalapino
,
Phys. Rev. B
45
,
R5744
(
1992
).
28.
S.
Gopalan
,
T. M.
Rice
, and
M.
Sigrist
,
Phys. Rev. B
49
,
8901
(
1994
).
29.
E.
Dagotto
and
T. M.
Rice
,
Science
271
,
618
(
1996
).
30.
A. K.
Kolezhuk
,
H.-J.
Mikeska
, and
S.
Yamamoto
,
Phys. Rev. B
55
,
R3336
(
1997
).
31.
G.-S.
Tian
,
Phys. Rev. B
56
,
5355
(
1997
).
32.
S.
Maslov
and
A.
Zheldev
,
Phys. Rev. B
57
,
68
(
1998
).
33.
Y.
Takushima
,
A.
Koga
, and
N.
Kawakami
,
Phys. Rev. B
61
,
15189
(
2000
).
34.
W.-D.
Feritag
and
E.
Möller-Hartmann
,
Z. Phys. B
83
,
381
(
1991
).
35.
A.
Klömper
,
A.
Schadschneider
, and
J.
Zittartz
,
Z. Phys. B
87
,
281
(
1992
).
36.
A.
Klömper
,
A.
Schadschneider
, and
J.
Zittartz
,
Europhys. Lett.
24
,
293
(
1993
).
37.
K.
Totsuka
and
M.
Suzuki
,
J. Phys. A: Math. Gen.
27
,
6443
(
1994
).
38.
K.
Totsuka
and
M.
Suzuki
,
J. Phys.: Condens. Matter
7
,
1639
(
1995
).
39.
S.
Yamamoto
,
Phys. Lett. A
225
,
157
(
1997
).
40.
S.
Yamamoto
,
Int. J. Mod. Phys. B
12
,
1795
(
1998
).
41.
E. H.
Lieb
,
T.
Schultz
, and
D. J.
Mattis
,
Ann. Phys. (N.Y.)
16
,
407
(
1961
).
42.
L. N.
Bulaevskii
,
Sov. Phys. JETP
16
,
685
(
1963
).
43.
L. N.
Bulaevskii
,
Sov. Phys. JETP
17
,
684
(
1963
).
44.
V. M.
Kontorovich
and
V. M.
Tsukernik
,
Sov. Phys. JETP
26
,
687
(
1968
).
45.
A. A.
Zvyagin
,
Sov. Phys. Solid State
32
,
181
(
1990
).
46.
M.
Azzouz
,
Phys. Rev. B
48
,
6136
(
1993
).
47.
M.
Azzouz
,
L.
Chen
, and
S.
Moukouri
,
Phys. Rev. B
50
,
6233
(
1994
).
48.
X.
Dai
and
Z.
Su
,
Phys. Rev. B
57
,
964
(
1998
).
49.
H.
Hori
and
S.
Yamamoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
71
,
1607
(
2002
).
50.
H.
Hori
and
S.
Yamamoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
73
,
549
(
2004
).
51.
D. P.
Arovas
and
A.
Auerbach
,
Phys. Rev. B
38
,
316
(
1988
).
52.
H.
Xing
,
G.
Su
,
S.
Gao
, and
J.
Chu
,
Phys. Rev. B
66
,
054419
(
2002
).
53.
C.
Wu
,
B.
Chen
,
X.
Dai
,
Y.
Yu
, and
Z.-B.
Su
,
Phys. Rev. B
60
,
1057
(
1999
).
54.
S.
Yamamoto
,
Phys. Rev. B
69
,
064426
(
2004
).
55.
X. Y.
Chen
,
Q.
Jiang
, and
W. Z.
Shen
,
J. Phys.: Condens. Matter
15
,
915
(
2003
).
56.
M.
Takahashi
,
Phys. Rev. B
40
,
2494
(
1989
).
57.
J. E.
Hirsch
and
S.
Tang
,
Phys. Rev. B
40
,
4769
(
1989
).
58.
S.
Tang
,
M. E.
Lazzouni
, and
J. E.
Hirsch
,
Phys. Rev. B
40
,
5000
(
1989
).
59.
V. Y.
Irkhin
,
A. A.
Katanin
, and
M. I.
Katsnelson
,
Phys. Rev. B
60
,
1082
(
1999
).
60.
S.
Yamamoto
and
T.
Nakanishi
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
157603
(
2002
).
61.
M.
Kollar
,
I.
Spremo
, and
P.
Kopietz
,
Phys. Rev. B
67
,
104427
(
2003
).
62.
H.
Hori
and
S.
Yamamoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
73
,
1453
(
2004
).
63.
M.
Takahashi
,
Phys. Rev. Lett.
58
,
168
(
1987
).
64.
S. M.
Rezende
,
Phys. Rev. B
42
,
2589
(
1990
).
65.
S.
Yamamoto
and
H.
Hori
,
J. Phys. Soc. Jpn.
72
,
769
(
2003
).
66.
S.
Yamamoto
and
T.
Fukui
,
Phys. Rev. B
57
,
R14008
(
1998
).
67.
S.
Yamamoto
,
T.
Fukui
,
K.
Maisinger
, and
U.
Schollwöck
,
J. Phys.: Condens. Matter
10
,
11033
(
1998
).
68.
T.
Nakanishi
and
S.
Yamamoto
,
Phys. Rev. B
65
,
214418
(
2002
).
69.
S.
Yamamoto
and
H.
Hori
,
J. Phys. Soc. Jpn.
73
,
822
(
2004
).
70.
Th.
Jolicoeur
and
O.
Golinelli
,
Phys. Rev. B
50
,
9265
(
1994
).
71.
J.
Sagi
and
I.
Affleck
,
Phys. Rev. B
53
,
9188
(
1996
).
72.
M.
Troyer
,
H.
Tsunetsugu
, and
D.
Wörtz
,
Phys. Rev. B
50
,
13515
(
1994
).
73.
L. P.
Battaglia
,
A. B.
Corradi
,
G.
Marcotrigiano
,
L.
Menabue
, and
G. C.
Pellacani
,
Inorg. Chem.
19
,
125
(
1980
).
74.
S. A.
Roberts
,
D. R.
Bloomquist
,
R. D.
Willett
, and
H. W.
Dodgen
,
J. Am. Chem. Soc.
103
,
2603
(
1981
).
75.
H.
Manaka
,
I.
Yamada
, and
K.
Yamaguchi
,
J. Phys. Soc. Jpn.
66
,
564
(
1997
).
76.
M.
Hagiwara
,
Y.
Narumi
,
K.
Kindo
,
T.
Kobayashi
,
H.
Yamakage
,
K.
Amaya
, and
G.
Schumauch
,
J. Phys. Soc. Jpn.
66
,
1792
(
1997
).
77.
H.
Manaka
,
I.
Yamada
,
Z.
Honda
,
H. A.
Katori
, and
K.
Katsumata
,
J. Phys. Soc. Jpn.
67
,
3913
(
1998
).
78.
H.
Manaka
,
I.
Yamada
,
N. V.
Mushnikov
, and
T.
Goto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
69
,
675
(
2000
).
79.
H.
Manaka
and
I.
Yamada
,
Phys. Rev. B
62
,
14279
(
2000
).
80.
H.
Manaka
,
I.
Yamada
,
M.
Hagiwara
, and
M.
Tokunaga
,
Phys. Rev. B
63
,
144428
(
2001
).
81.
H.
Manaka
,
I.
Yamada
,
Y.
Miyajima
, and
M.
Hagiwara
,
J. Phys. Soc. Jpn.
72
,
2694
(
2003
).
82.
K.
Hida
,
Phys. Rev. B
45
,
2207
(
1992
).
83.
K.
Hida
,
Phys. Rev. B
46
,
8268
(
1992
).
84.
M.
Kohmoto
and
H.
Tasaki
,
Phys. Rev. B
46
,
3486
(
1992
).
85.
M.
Yamanaka
,
Y.
Hatsugai
, and
M.
Kohmoto
,
Phys. Rev. B
48
,
9555
(
1993
).
86.
K.
Okamoto
,
D.
Nishino
, and
Y.
Saika
,
J. Phys. Soc. Jpn.
62
,
2587
(
1993
).
87.
K.
Funase
and
S.
Yamamoto
,
Phys. Lett. A
334
,
220
(
2005
).
88.
S.
Takada
,
J. Phys. Soc. Jpn.
61
,
428
(
1992
).
89.
K.
Hida
and
S.
Takada
,
J. Phys. Soc. Jpn.
61
,
1879
(
1992
).
90.
K.
Hida
,
J. Phys. Soc. Jpn.
62
,
439
(
1993
).
91.
T.
Sakai
,
J. Phys. Soc. Jpn.
64
,
251
(
1995
).
92.
K.
Hida
,
J. Phys. Soc. Jpn.
63
,
2514
(
1994
).
93.
M.
den Nijs
and
K.
Rommelse
,
Phys. Rev. B
40
,
4709
(
1989
).
94.
K.
Hida
,
J. Phys. Soc. Jpn.
67
,
1416
(
1998
).
95.
S.
Yamamoto
,
T.
Fukui
, and
T.
Sakai
,
Eur. Phys. J. B
15
,
211
(
2000
).
96.
M.
Takahashi
,
Prog. Theor. Phys. Suppl.
87
,
233
(
1986
).
97.
T.
Sakai
and
M.
Takahashi
,
Phys. Rev.
57
,
R8091
(
1998
).
98.
S.
Yamamoto
and
T.
Sakai
,
J. Phys.: Condens. Matter
11
,
5175
(
1999
).
99.
A.
Auerbach
and
D. P.
Arovas
,
Phys. Rev. Lett.
61
,
617
(
1988
).
100.
S.
Sarker
,
C.
Jayaprakash
,
H. R.
Krishnamurthy
, and
M.
Ma
,
Phys. Rev. B
40
,
5028
(
1989
).
101.
C. J.
De Leone
and
G. T.
Zimanyi
,
Phys. Rev. B
49
,
1131
(
1994
).
102.
M.-R.
Li
,
Y.-J.
Wang
, and
C.-D.
Gong
,
Z. Phys. B
102
,
129
(
1997
).
103.
S.
Yamamoto
,
J. Phys. Soc. Jpn.
69
,
2324
(
2000
).
104.
H.
Hori
and
S.
Yamamoto
,
Phys. Rev. B
68
,
054409
(
2003
).
105.
A.
Escuer
,
R.
Vicente
,
M. S. E.
Fallah
,
M. A. S.
Goher
, and
F. A.
Mautner
,
Inorg. Chem.
37
,
4466
(
1998
).
106.
M.
Hagiwara
,
Y.
Narumi
,
K.
Minami
,
K.
Kindo
,
H.
Kitazawa
,
H.
Suzuki
,
N.
Tsujii
, and
H.
Abe
,
J. Phys. Soc. Jpn.
72
,
943
(
2003
).
107.
N.
Fujiwara
and
M.
Hagiwara
,
Solid State Commun.
113
,
433
(
2000
).
108.
H.
Hori
and
S.
Yamamoto
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
9023
(
2004
).
109.
C. D.
Batista
and
G.
Ortiz
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
1082
(
2001
).
110.
Y.
Suzumura
,
Y.
Hasegawa
, and
H.
Fukuyama
,
J. Phys. Soc. Jpn.
57
,
2768
(
1987
).
111.
G.
Kotliar
and
J.
Liu
,
Phys. Rev. B
38
,
5142
(
1988
).
112.
D.
Yoshioka
,
J. Phys. Soc. Jpn.
58
,
32
(
1989
).
This content is only available via PDF.
You do not currently have access to this content.